Вченим відомо, які існують пігменти рослин – зелені й фіолетові, жовті і червоні. Рослинними пігментами назвали органічні молекули, які є в тканинах, клітинах рослинного організму – саме завдяки таким включенням вони набувають забарвлення. В природі частіше інших зустрічається хлорофіл, присутній в тілі всякого вищої рослини. Помаранчевий, червонуватий тон, жовтуваті відтінки забезпечені каротиноїдами.
А якщо детальніше?
Пігменти рослин знаходяться в хромо-, хлоропластах. Всього сучасна наука знає декілька сотень різновидів сполук цього типу. Значний відсоток усіх виявлених молекул необхідний для фотосинтезу. Як показали випробування, пігменти – це джерела ретинолу. Рожевий і червоний відтінки, варіації бурого та блакитні кольори забезпечені наявністю антоціанів. Такі пігменти спостерігаються в рослинному клітинному соку. Коли в період похолодання дні стають коротшими, пігменти вступають в реакції з іншими сполуками, присутніми в тілі рослини, чого змінюється забарвлення перш зелених частин. Листя дерев стає яскравою і барвистою – тієї самої осінньої, до якої ми звикли.
Найвідоміший
Мабуть, практично будь-який школяр середньої школи знає про хлорофіл – пігмент рослин, необхідний для фотосинтезу. За рахунок цього з’єднання представник рослинного світу може поглинати світло сонця. Втім, на нашій планеті не тільки рослини не можуть існувати без хлорофілу. Як показали подальші дослідження, це з’єднання абсолютно незамінне для людства, так як забезпечує природний захист від ракових процесів. Довели, що пігмент пригнічує канцерогени і гарантує ДНК захист від мутацій під впливом отруйних сполук.
Хлорофіл – зелений пігмент рослин, хімічно представляє собою молекулу. Вона локалізована в хлоропластах. Саме за рахунок такої молекули ці ділянки пофарбовані в зелений. По своїй структурі молекула – порфириновое кільце. За рахунок цієї специфіки пігмент нагадує гем, що є структурним елементом гемоглобіну. Ключова відмінність у центральному атомі: у гема його місце займає залізо, для хлорофілу найбільш значущим є магній. Вперше вчені виявили цей факт у 1930 році. Подія сталася через 15 років після відкриття речовини Вільштаттером.
Хімія та біологія
Спершу вчені встановили, що пігмент зеленого кольору в рослинах буває двох різновидів, яким дали найменування за двома першими літерами латинського алфавіту. Різниця між різновидами хоч і невелика, але все ж є і найбільш відчутна при аналізі бічних ланцюгів. Для першої різновиди їх роль відіграє СН3, для другого типу – ЗНЗ. Обидві форми хлорофілу належать до класу активних фоторецепторів. За їх рахунок рослина може поглинати енергетичну складову сонячного випромінювання. Згодом виявили ще три типи хлорофілу.
В науці зелений пігмент рослин називається хлорофілом. Досліджуючи відмінності двох основних різновидів цієї молекули, притаманною вищої рослинності, виявили, що довжина хвиль, які можуть поглинатися допомогою пігменту, дещо відмінна для типів А і В. Фактично, як вважають вчені, різновиди ефективно доповнюють один одного, забезпечуючи тим самим рослині здатність максимально якісно поглинати необхідні обсяги енергії. В нормі зазвичай перший тип хлорофілу спостерігається у втричі більшій концентрації, ніж другий. Сумарно вони формують зелений рослинний пігмент. Три інших типу знайшли лише у стародавніх форм рослинності.
Особливості молекул
Вивчаючи будову пігментів рослин, виявили, що обидва різновиди хлорофілу – це молекули, розчинні жиром. Синтетичні різновиди, створені в лабораторіях, розчиняються водою, але їх всмоктування в організмі можливо тільки при наявності жирних сполук. Рослинами пігмент використовується для отримання енергії, що забезпечує зростання. У раціоні людей він застосовується з метою оздоровлення.
Хлорофіл, як і гемоглобін, може нормально функціонувати і виробляти вуглеводи, якщо з’єднаний з протеїновими ланцюжками. Візуально білок здається освітою без чіткої системи і структури, але така насправді правильна, і саме тому хлорофіл може стабільно зберігати оптимальне положення.
Особливості активності
Вчені, вивчаючи цей основний пігмент вищих рослин, виявили, що він є у всякої зелені: у список включені овочі, водорості, бактерії. Хлорофіл – повністю натуральне з’єднання. За природою воно володіє якостями протектора і попереджає трансформацію, мутацію ДНК під впливом отруйних сполук. Були організовані спеціальні дослідницькі роботи в індійському ботанічному саду при НДІ. Як вдалося виявити вченим, отриманий з свіжої зелені хлорофіл може вберегти від отруйних сполук, патологічних бактерій, а також заспокоює активність вогнищ запалення.
Хлорофіл недовговічний. Ці молекули дуже крихкі. Сонячні промені ведуть до загибелі пігменту, але зелений лист в змозі генерувати нові і нові молекули, що заміщають відслужили своє товаришів. В осінній сезон хлорофіл більше не виробляється, тому листя втрачає свій колір. На перший план виходять інші пігменти, до цього приховані від очей зовнішнього спостерігача.
Немає меж розмаїттю
Різноманітність рослинних пігментів, відомих сучасним дослідникам, винятково велика. З року в рік вчені виявляють все нові молекули. Порівняно нещодавно проведені дослідження дозволили додати до двом згаданим вище різновидів хлорофілу ще три типи: С, С1, Тобто Втім, самим головним, як і раніше вважається тип А. А ось каротиноїди ще більш різноманітні. Цей клас пігментів науці відомий непогано – саме за їх рахунок набувають відтінки коренеплоди моркви, багато овочі, плоди цитрусових дерева та інші дари рослинного світу. Як показали додаткові випробування, канарки мають пір’я, забарвлені в жовтий, саме завдяки каротиноїдам. Вони ж дають колір яєчного жовтка. За рахунок великої кількості каротиноїдів азіатські жителі володіють своєрідним відтінком шкіри.
Ні людина, ні представники тваринного світу не мають такими особливостями біохімії, які б дозволяли виробляти каротиноїди. Ці речовини з’являються на базі вітаміну А. Це доводять спостереження, присвячені пігментів рослин: якщо курка з продуктами харчування не отримувала рослинність, жовтки яєць будуть дуже слабкого відтінку. Якщо канарейка отримувала велику кількість їжі, збагаченої червоними каротиноїдами, її пір’я придбають яскравий відтінок червоного.
Цікаві особливості: каротиноїди
Жовтий пігмент рослин називається каротином. Вчені встановили, що червоний відтінок забезпечують ксантофіли. Число відомих науковому співтовариству представників цих двох типів постійно збільшується. У 1947 році вчені знали близько семи десятків каротиноїдів, а до 1970 їх налічувалося вже більше двох сотень. В деякій мірі це схоже прогресу знань у сфері фізики: спершу знали про атоми, потім – електронах і протонах, а згодом виявили ще більш дрібні частинки, для позначення яких використовують лише літери. Можна говорити про елементарні частинки? Як показали випробування фізиків, поки що використовувати такий термін рано – наука ще не розвинена в тій мірі, щоб вдалося їх знайти, якщо такі є. Схожа ситуація склалася з пігментами – з року в рік відкривають все нові види і типи, а біологи лише дивуються, не в силах пояснити багатолику природу.
Про функції
Вчені, які займаються пігментами вищих рослин, поки не можуть пояснити, для чого і чому природа передбачила настільки велика різноманітність пігментних молекул. Виявлено функціональність деяких окремих різновидів. Довели, що каротин необхідний для забезпечення схоронності хлорофилловых молекул від окислення. Механізм захисту зумовлений особливостями синглетного кисню, що формується при реакції фотосинтезу в якості додаткового продукту. Це поєднання відрізняється підвищеною агресивністю.
Ще одна особливість жовтого пігменту в клітинах рослини – його здатність збільшувати інтервал довжини хвилі, необхідної для процесу фотосинтезу. Зараз така функція не доведена точно, але проведено чимало досліджень, дозволяють припустити, що остаточне доказ гіпотези «не за горами». Промені, які зелений рослинний пігмент не може засвоїти, поглинаються жовтими пігментними молекулами. Потім енергія спрямовується хлорофілу подальшої трансформації.
Пігменти: такі різні
Крім деяких різновидів каротиноїдів, жовтий колір мають пігменти, названі ауронами, халконами. Їх хімічна будова багато в чому нагадує флавони. Такі пігменти в природі зустрічаються не дуже часто. Їх знайшли в листі, суцвіттях кислиці і левового зіву, ними забезпечується забарвлення кореопсису. Такі пігменти не переносять тютюнового диму. Якщо окур рослина сигаретою, воно відразу почервоніє. Біологічний синтез, що протікає в клітинах рослин з участю халконов, призводить до генерування флавонолів, флавонова, ауронов.
І у тварин, і у рослин є меланін. Цей пігмент забезпечує коричневий відтінок волосся, саме завдяки йому локони можуть стати чорними. Якщо клітини не містять меланіну, представники тваринного світу стають альбіносами. У рослин пігмент виявлений в шкірці червоного винограду і у деяких суцвіть в пелюстках.
Блакитні і не тільки
Блакитний відтінок рослинність отримує завдяки фитохрому. Це протеїновий рослинний пігмент, відповідальний за контроль цвітіння. Він регулює проростання насінини. Відомо, що фитохром може прискорити цвітіння деяких представників рослинного світу, у інших-відбувається протилежний процес уповільнення. В деякій мірі його можна порівняти з годинником, але біологічними. Зараз вчені поки не знають всю специфіку механізму дії пігменту. Виявили, що будова цієї молекули коригується часом доби і освітленістю, передаючи інформацію про рівні світла у середовищі рослині.
Синій пігмент у рослинах – антоціан. Втім, є кілька різновидів. Антоціани не тільки дають синє забарвлення, але і рожеву, ними ж пояснюються червоний і фіолетовий кольори, іноді – темний, насичений фіолетовий. Активна генерація антоціанів в рослинних клітинах спостерігається, коли знижується температура навколишнього простору, зупиняється генерування хлорофілу. Забарвлення листя змінюється з зеленого на червоний, руду, синю. Завдяки антоциану троянди і маки мають яскраві червоні квіти. Цей же пігмент пояснює відтінки суцвіть герані і васильків. Завдяки блакитний різновиди антоциана дзвіночки мають свій ніжний колір. Певні різновиди цього типу пігментів спостерігаються у винограді, червонокачанної капусти. Антоціани забезпечують фарбування терну, сливи.
Яскраві та темні
Відомий жовтий пігмент, який вчені назвали антохлором. Його виявили в шкірці листків первоцвіту. Антохлор знайдений в примулах, суцвіттях баранчика. Їм багаті маки жовтих сортів і жоржини. Цей пігмент надає приємний колір суцвіттям льнянки, лимонним плодам. Він виявлений в деяких інших рослинах.
Порівняно рідко в природі зустрічається антофеин. Це темний пігмент. Завдяки йому з’являються специфічні цятки на віночку деяких бобових культур.
Всі яскраві пігменти задумані природою для специфічного забарвлення представників рослинного світу. Завдяки такому забарвленню рослина приваблює птахів, тварин. Тим самим забезпечується поширення насіння.
Про клітинах і будову
Намагаючись визначити, наскільки сильно залежить забарвлення рослин від пігментів, як ці молекули влаштовані, навіщо необхідний весь процес пігментації, вчені виявили, що в організмі рослин присутні пластиды. Так назвали невеличкі тільця, які можуть мати забарвлення, але бувають також безбарвними. Такі тільця є тільки і виключно у представників рослинного світу. Всі пластиды розділили на хлоропласти, мають зелений відтінок, хромопласты, пофарбовані в різні варіації червоного спектру (включаючи жовтий та перехідні відтінки), і лейкопласти. Останнім не властиві будь-які відтінки.
У нормі рослинна клітина містить одну різновид пластидов. Експерименти показали здатність цих тілець трансформуватися типу в тип. Хлоропласти виявлені у всіх рослинних органів, пофарбованих у зелений. Лейкопласти частіше спостерігаються у частинах, прихованих від прямих променів сонця. Їх багато в кореневищах, вони виявлені в бульбах, ситовидных частинках деяких типів рослин. Хромопласты типові для пелюсток, поспевших плодів. Тилакоидные мембрани збагачені хлорофілом і каротиноїдами. Лейкопласти не містять пігментних молекул, але можуть бути локацією процесів синтезу, скупчування поживних сполук – білків, крохмалю, зрідка жирів.
Реакції і трансформації
Вивчаючи фотосинтетические пігменти вищих рослин, вчені виявили, що хромопласты пофарбовані в рудий, червоний завдяки присутності каротиноїдів. Прийнято думати, хромопласты – заключний крок розвитку пластидов. Ймовірно, вони з’являються при трансформації лейко-, хлоропластів, коли ті старіють. У чому наявність таких молекул визначає колір листя по осені, а також яскраві, радують око квіти, плоди. Каротиноїди продукуються водоростями, рослинним планктоном, рослинами. Їх можуть генерувати деякі бактерії, гриби. Каротиноїди відповідальні за забарвлення живих представників рослинного світу. Деякі тварини мають системами біохімії, за рахунок якої каротиноїди трансформуються в інші молекули. Вихідна сировина для такої реакції отримують з їжею.
Як показали спостереження за рожевими фламінго, ці птахи збирають і фільтрують спіруліну і деякі інші водорості для отримання жовтого пігменту, звідки потім з’являються кантаксантин астаксантин. Саме ці молекули дають пташиному оперенню такий красивий колір. Багато риби і птиці, раки і комахи мають яскравий колір завдяки каротиноїдам, які отримують з харчуванням. Бета-каротин трансформується в деякі вітаміни, які використовуються на користь людини – вони захищають очі від впливу ультрафіолету.
Червоний і зелений
Говорячи про фотосинтетичних пігментів вищих рослин, слід зазначити, що такі можуть поглинати кванти світлових хвиль. Наголошується, що це відноситься лише до частини спектру, видимого для людського ока, тобто для довжини хвилі в межах 400-700 нм. Рослинні частки можуть поглинати лише кванти, що розташовують достатнім енергетичним запасом для реакції фотосинтезу. Відповідальність за поглинання покладено виключно на пігменти. Вченими досліджено найдавніші форми життя рослинного світу – бактерії, водорості. Встановлено, що в них є різні сполуки, які можуть акцептувати світло видимого спектру. Деякі різновиди можуть приймати світлові хвилі випромінювання не сприймається людським оком – з блоку, близького до інфрачервоного. Крім хлорофілів така функціональність природою покладена на бактериородопсин, бактериохлорофиллы. Дослідження показали важливість для реакцій синтезу фикобилинов, каротиноїдів.
Різноманітність фотосинтетичних пігментів рослин відрізняється від групи до групи. Багато що визначається умовами, в яких форма життя живе. У представників вищого рослинного світу різноманітність пігментів менше, ніж у еволюційно древніх різновидів.
Про що йдеться?
Вивчаючи фотосинтетические пігменти рослин, виявили, що у вищих рослинних форм є лише два різновиди хлорофілу (згадані раніше А, В). Обидва цих типу – порфірини, які є атом магнію. Переважно вони входять в светособирающие комплекси, які поглинають енергію світла і направляють її реакційних центрів. У центрах міститься порівняно малий відсоток загального наявного у рослини хлорофілу першого типу. Тут протікають первинні взаємодії, характерні фотосинтезу. Хлорофіли супроводжуються каротиноїдами: їх, як з’ясували вчені, зазвичай спостерігається п’ять різновидів, не більше. Ці елементи також збирають світло.
Будучи розчиненими, хлорофіли, каротиноїди – це пігменти рослин, які мають вузькі смуги світлопоглинання, віддалені один від одного досить значно. Хлорофиллам притаманна здатність максимально ефективно поглинати сині хвилі, вони можуть працювати з червоними, але дуже слабо вловлюють зелене світло. Розширення спектру та перекриття забезпечується хлоропластами, які виділяються з листя рослини без особливого праці. Мембрани хлоропластів відрізняються від розчинів, оскільки фарбувальні компоненти з’єднані з білками, жирами, вступають в реакцію один з одним, а енергія мігрує між збірниками та центрами накопичення. Якщо розглядати спектр світлопоглинання листа, він виявиться ще більш складним, згладженим, ніж окремого хлоропласта.
Відображення і поглинання
Вивчаючи пігменти листка рослини, вчені встановили, що певний відсоток потрапляє на листок світла відбивається. Таке явище розділили на два різновиди: дзеркальну, дифузну. Про першу кажуть, якщо поверхня блищить, гладка. Відображення аркуша переважно формується другим типом. Світло просочується в товщу, розсіюється, змінює напрямок, оскільки і в зовнішньому шарі, і всередині листа є поділяючі поверхні з різними показниками заломлення. Аналогічні ефекти спостерігаються, коли світло проходить крізь клітини. Сильного поглинання немає, оптичний шлях набагато більше товщини листа, виміряної геометрично, і листок здатний поглинути більше світла, ніж пігмент, виділений з нього. Листя поглинає набагато більше енергії в порівнянні з окремо досліджуваними хлоропластами.
Оскільки є різні пігменти рослин – червоні, зелені та інші – відповідно, явище поглинання нерівномірний. Лист здатний сприймати світло різної довжини хвилі, але ефективність процесу відмінна. Найбільш висока поглинаюча здатність зеленому листі притаманна щодо фіолетового блоку спектру, червоного, синього і блакитного. Сила поглинання практично не визначається тим, наскільки концентровані хлорофіли. Це пов’язано з тим, що середовищі притаманна висока розсіююча здатність. Якщо пігменти спостерігається у високій концентрації, поглинання відбувається поблизу поверхні.
